Как выглядит центр черной дыры?

Черная дыра — одно из самых захватывающих космических явлений. По сути, черные дыры — это места в космосе, которые полностью опровергают наше представление о том, как ведут себя пространство и время.

Ученые, использующие общую теорию относительности Эйнштейна, говорят, что центр черной дыры представляет собой сингулярность: место, где масса, эквивалентная как минимум пятикратной массе Солнца, сжимается в точку с нулевым объемом.

Итак, какова реальность черных дыр? И есть ли правда в идее сингулярности?

Приближаемся к черной дыре

Начнем с самого простого. Далеко за пределами черной дыры гравитация, которую они оказывают, действительно вполне обычна. Замените Солнце черной дырой той же массы, и Земля продолжит свое путешествие по Солнечной системе, вращаясь вокруг черной дыры каждые 365,25 дней. Следует признать, что на Земле потемнеет и станет холодно, но с точки зрения гравитации никаких изменений не произойдет.

Однако когда кто-то или что-то приближается к черной дыре, история меняется. Что значит «приближается»? Говоря о черных дырах, следует отметить несколько радиусов. Во-первых, это сингулярность. Общая теория относительности утверждает, что вся масса черной дыры была сжата гравитацией до буквально нулевого размера. Итак, возможно, было бы разумно сказать, что радиус черной дыры равен нулю (хотя, как мы вскоре увидим, это поспешная характеристика).

Еще одной важной особенностью является сфера, называемая горизонтом событий. Горизонт событий определяется поведением света. На свет, как и на массу, влияет гравитация.

Точно так же, как требуется энергия, чтобы поднять ракету с поверхности Земли в космос, свету требуется энергия, чтобы покинуть тяжелый объект. Чем сильнее гравитация, тем больше энергии требуется свету, чтобы уйти.

По мере приближения к центру черной дыры гравитация становится все сильнее и сильнее. Существует радиус, при котором объект, движущийся с максимально возможной скоростью — скоростью света — больше не может покинуть черную дыру.

Размер горизонта событий зависит от массы черной дыры, но есть и другие важные параметры: вращается ли она и имеет ли электрический заряд.

Однако для простейшей черной дыры — незаряженной и не вращающейся — радиус горизонта событий называется радиусом Шварцшильда, в честь немецкого физика и астронома Карла Шварцшильда. На расстояниях ближе к центру черной дыры, чем радиус Шварцшильда, ничто не может ускользнуть — даже свет. За его пределами объекты могут уйти, по крайней мере, в принципе могут это сделать.

Для объекта с массой Солнца радиус Шварцшильда составляет примерно 3 километра. Напротив, радиус Солнца составляет около 700 000 километров. Радиус Шварцшильда Земли составляет всего лишь сантиметр.

На расстояниях, примерно в 2,5 раза превышающих радиус Шварцшильда, объекты могут вращаться вокруг черной дыры.

При радиусе Шварцшильда примерно 1,5–2,5 вращение по орбите затруднено и нестабильно, требует огромных усилий для поддержания орбиты.

На расстоянии примерно в 1,5 раза превышающий радиус горизонта событий находится «фотонная сфера». На этом расстоянии черная дыра настолько сильно искривляет пространство, что фотоны света фактически вращаются вокруг черной дыры и не могут уйти от нее.

Если бы вы находились на таком расстоянии от черной дыры, свет от вашего затылка обогнул бы черную дыру и попал бы вам в глаза. При таких условиях вам не понадобится зеркало, чтобы увидеть, правильно ли вы причесались.

По мере приближения к черной дыре все становится еще страннее. Человек, находящийся вдали от черной дыры, увидит, как объекты приближаются к горизонту событий, двигаясь все медленнее и медленнее, и в конечном итоге исчезают из поля зрения.

Однако по мере приближения человека к горизонту событий ничего особо не меняется, хотя вид на окружающее небо сильно искажается гравитационным полем черной дыры. (Примечание: в зависимости от размера черной дыры и размера объекта, приближающегося к горизонту событий, гравитационные силы могут разорвать объект на части. Или не сделать этого. Многие вещи определяют, будет ли объект уничтожен, и обобщать тут нельзя.)

Как только человек пересекает горизонт событий, он проходит точку невозврата. Оказавшись там, вы никогда не сможете вернуться обратно — впереди вас будет ждать только вечная тьма. И вот что интересно: поскольку ничто не может покинуть горизонт событий, у нас нет данных о том, что происходит внутри.

Наше понимание природы пространства и времени внутри черной дыры является полностью теоретическим, и эти идеи могут быть правильными, а могут и не быть таковыми. Однако, согласно теории, пространство и время меняются местами внутри горизонта событий. Двигаясь к центру черной дыры, вы движетесь уже во времени, а не в пространстве. Это безумная идея, но она может оказаться правдой.

Если бы мы могли увидеть там коллапсар, сингулярность, мы бы постигли гравитацию.
Но хоть что-то там видно?
Ничто не покидает ее пределы, даже свет. Ответ где-то там, но увидеть его не получится. © Х/ф. Интерстеллар (Interstellar, 2014)

Сингулярность

Когда кто-то приближается к центру черной дыры, к нашему незнанию измерений присоединяется незнание теории; теория терпит крах. Часто можно услышать, что центр черной дыры — это сингулярность: теоретическое место, где масса дыры сжимается до нулевого размера. Но сингулярность на самом деле означает не это.

Сингулярность — это место, где теория не работает. Если серьезно относиться к общей теории относительности, вариант нулевого размера реален.

Но это также означало бы место бесконечной плотности. И что все это на самом деле означает, что наша теория больше не работает.

Таким образом, нам нужна новая теория гравитации — то, что ученые называют квантовой гравитацией.

И вот тревожная правда: ученые на самом деле не знают, как выглядит эта теория. Есть некоторые идеи и догадки, но ни одна из них пока не получила подтверждения.

Таким образом, истина о центре черной дыры двояка. Внутри горизонта событий у нас есть только теории и предположения. Разумно предположить, что теории Эйнштейна работают в точках горизонта событий, но далеко от центра. Но ученые в этом не уверены.

Но они уверены в том, что теория Эйнштейна в конце терпит крах. Итак, если быть честными, мы совершенно не знаем, что скрывается в центре черной дыры.

Поскольку мы никогда не сможем заглянуть внутрь черной дыры, вполне возможно, что мы никогда не узнаем, что происходит внутри нее. Вполне вероятно, что внутренний мир черной дыры навсегда останется для нас загадкой.